基于ARM Cortex-M3和DSP的逆變電源設(shè)計(jì)

引 言

在電氣智能化發(fā)展無(wú)處不在的今天， 無(wú)數(shù)用電場(chǎng)合離不開(kāi)逆變電源系統(tǒng)（ Inverted Pow er Supply System,IPS） 為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供穩(wěn)定的高質(zhì)量電源， 特別在如通信機(jī)房、服務(wù)器工作站、交通樞紐調(diào)度中心、醫(yī)院、電力、工礦企業(yè)等對(duì)電源保障有苛刻要求的場(chǎng)合。許多IPS產(chǎn)品因遵循傳統(tǒng)設(shè)計(jì)而不符合或落后于現(xiàn)代電源理念，突出表現(xiàn)為控制模塊的單一復(fù)雜化， 控制器芯片落后且控制任務(wù)繁重， 模擬閉環(huán)控制而得不到理想的監(jiān)控和反饋調(diào)節(jié)效果，并由此帶來(lái)單個(gè)控制設(shè)備軟硬件設(shè)計(jì)上的隱患， 這對(duì)IPS 電源輸出造成不利影響， 甚至對(duì)用電設(shè)備因?yàn)楣╇姽收隙鴮?dǎo)致災(zāi)難性后果。數(shù)字化控制技術(shù)日趨成熟，而且在某些領(lǐng)先理念的電源設(shè)備控制應(yīng)用場(chǎng)合得到應(yīng)用， 凸顯出模塊化、數(shù)字化控制已成為一種必然的趨勢(shì)。

本文描述了基于ARM7 Cortex-M3 的單片機(jī)STM32F103 和T I C2000 系列DSP 芯片TMS320F2808 聯(lián)合控制的IPS 核心控制電路，針對(duì)上述產(chǎn)品中的不足而提出了改進(jìn)。所設(shè)計(jì)的IPS 核心控制電路通過(guò)測(cè)試仿真及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明， 這種新型IPS 設(shè)計(jì)改善了IPS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 滿足IPS 運(yùn)作的高要求， 而且豐富了遠(yuǎn)程監(jiān)控等人機(jī)交互接口， 從而也間接多方面節(jié)約用戶的管理成本。

1逆變電源整體介紹

為滿足電源敏感性設(shè)備對(duì)逆變電源的要求， 目標(biāo)IPS 采用本次設(shè)計(jì)的電路作為核心； 以高速數(shù)字信號(hào)微處理器（ DSP TMS320F2808） 及外圍器件作為信號(hào)產(chǎn)生及反饋檢測(cè)調(diào)整模塊； 以ARM7 單片機(jī)ST M32F103及其外設(shè)作為人機(jī)交互邏輯控制模塊， 兩個(gè)模塊交互協(xié)同控制。應(yīng)用硬件自反饋調(diào)節(jié)SPWM 波形輸出， 采用DSP 數(shù)字化算法提供高精度鎖相技術(shù)。軟件編程進(jìn)行全數(shù)字化分任務(wù)模塊控制， DSP 模塊執(zhí)行IGBT 逆變所需的控制波形產(chǎn)生、反饋調(diào)節(jié)、鉛酸蓄電池充電波形產(chǎn)生及調(diào)節(jié)、自檢和自偵測(cè)功能，對(duì)電路板上所有獨(dú)立電路連接進(jìn)行自檢和故障分析等功能。而ARM7 模塊執(zhí)行參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行管理、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控和人機(jī)交互處理等任務(wù)。DSP 模塊控制力求精準(zhǔn)， ARM 模塊則具備完善的系統(tǒng)級(jí)事件管理功能。如圖1 所示， 兩個(gè)模塊在任務(wù)上相互獨(dú)立而又緊密聯(lián)系， 分工協(xié)調(diào)共同維護(hù)IPS 的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1IPS 逆變?cè)砜驁D

2 雙核控制系統(tǒng)的組成

2. 1 DSP 控制模塊

該模塊是逆變信號(hào)產(chǎn)生及反饋檢測(cè)調(diào)整模塊， 核心是一片C2000 系列高性能DSP 處理器TMS320F2808（ 以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2808） , F2808 產(chǎn)生的SPWM 信號(hào)經(jīng)過(guò)CPLD 進(jìn)行邏輯延時(shí)移相形成三相逆變器IGBT 控制信號(hào)。F2808 是德州儀器（ TI） 公司的一款高速DSP 芯片， 最高運(yùn)行速度可達(dá)100 MIPS, 為適應(yīng)工控強(qiáng)干擾環(huán)境， F2808 內(nèi)部集成了增強(qiáng)型輸入捕獲單元（ eCAP） 和帶死區(qū)控制功能的輸出比較PWM 產(chǎn)生單元（ ePWM） ,12 位16 通道快速ADC 單元； 內(nèi)核支持用于定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算的IQ 變換函數(shù)庫(kù)； 還有諸如SCI, SPI,eCAN 等豐富而通用的外設(shè)接口。如圖2 所示， 設(shè)計(jì)中F2808 的主要任務(wù)是監(jiān)控IPS 功率部分的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和動(dòng)作， 根據(jù)逆變器和負(fù)載狀態(tài)反饋調(diào)整3 路SPWM波形的輸出， 電池充電脈沖控制。DSP 輸出的3 路SPWM 信號(hào)直接送給CPLD, 經(jīng)過(guò)CPLD 的等間隔脈沖延遲移相作為逆變器產(chǎn)生U, V, W 三相電的控制波形。